JP2005516141A - Configuration gas turbine and its operating method to operate with high exhaust gas recirculation rate - Google Patents

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Abstract

【課題】 高希薄モードで動作するように構成したガスタービンに関する。 A related construction gas turbines to operate at high sparse mode.
【解決手段】 このガスタービンは、酸化剤(5)を圧縮するように構成したコンプレッサー(3)と、この圧縮した酸化剤(7)を受け入れて、燃焼排気(9)を排出する手段を備えるように構成した燃焼室(3)と、タービン(4)と、この燃焼室(3)から出る燃焼排気(9)を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサー(2)から出て来る圧縮された酸化剤(7)と混合して、100%から200%までの燃焼排気再循環率で、高希薄燃焼モードを実現するように構成した燃焼排気再循環手段(12,13)とを有する。 A The gas turbine includes a compressor configured to compress the oxidant (5) (3), accept this compressed oxidant (7), the combustion exhaust means for discharging (9) constructed combustion chamber (3) as a turbine (4), by recirculating flue gas exiting the combustion chamber (3) (9), the combustion exhaust coming out of the compressor (2) mixed with compressed oxidant (7), the combustion exhaust gas recirculation rate from 100% to 200%, and a configuration combustion exhaust gas recirculation means so as to achieve high lean combustion mode (12, 13) a.

Description

この発明は、ガスタービンとガスタービンの動作方法に関する。 This invention relates to a method of operation of the gas turbine and the gas turbine.

ガスタービンは、化石燃料の燃焼をベースに動作する。 Gas turbines operate based on the combustion of fossil fuels. 今日では、化石燃料の燃焼プロセスには、互いに対照的な二つの主要要件が適用される。 Today, the combustion process of fossil fuels, contrasting two major requirements apply to each other. 一つには、燃焼プロセスは、(燃料を節約するとともに、CO 2の排出を削減するために)可能な最大効率を達成すること、他方には、このプロセスは、汚染物質(例えば、NO X )の排出を最小限にすることが求められている。 For one thing, the combustion process (as well as save fuel, to reduce the emission of CO 2) to achieve the maximum possible efficiency, in the other, the process contaminants (e.g., NO X ) there is a need to minimize emissions.

燃焼プロセスの効率を改善するための最も一般的な方法の一つは、燃焼空気を高温に予熱することを利用するものである。 One of the most common methods for improving the efficiency of the combustion process is to utilize preheating the combustion air to a high temperature. このアプローチは、燃焼を比較的高い火炎温度で発生させ、そのうちに、復熱式または再生式の熱交換器を用いて、高温の燃焼排気のエネルギーを燃焼空気に与えるものである。 This approach generates a combustion at a relatively high flame temperature, over time, using a heat exchanger of the recuperative or regenerative and gives the energy of the hot combustion exhaust in the combustion air. 高温に予熱された空気温度の一つの欠点は、火炎が、上昇したピーク温度に曝されて、サーマルNO Xの形成過程において、惨憺たる結果をもたらすことである。 One drawback of the air temperature preheated to high temperature, flame, is exposed to elevated peak temperatures, in the formation process of the thermal NO X, is to bring about disastrous results.

燃焼排気の再循環によって、自己発火閾値(self-ignition threshold )を超える温度に保たれた希薄反応混合気を用いた、炭化水素の燃焼に関する研究が行われてきた。 Recirculation of the combustion exhaust, using dilute reaction mixture was maintained at a temperature above the self-ignition threshold (self-ignition threshold), Studies on the combustion of hydrocarbons has been carried out. この燃焼排気を用いることで、反応混合気を希薄にするとともに、エネルギーを加えて、自己発火させることが可能となる。 By using this combustion exhaust, as well as to dilute the reaction mixture, it added energy, it is possible to self-ignite.

燃焼排気の再循環は、混合気における希ガスの含有量を増加させる。 Recirculation of combustion exhaust increases the content of the rare gas in the mixture. 炭化水素と空気の燃焼に関する可燃限界の初期の研究[ザベタキス氏(Zabetakis )、1965年]は、50%までの再循環率に対して、可燃混合気を得ることができることを示している。 Research early combustible limits for the combustion of hydrocarbon and air [Zabetakisu Mr. (Zabetakis), 1965 years] shows that it is possible with respect to the recirculation rate of 50%, to obtain a combustible mixture. 実際のシステムに対して信頼できる動作条件を提供することを目的とする最近の研究は、NO Xの削減技術として、30%までの再循環率を用いることができることを示している[ウィルクス氏(Wilkes)とガーホールド氏(Gerhold )、1980年]。 Indeed recent studies aimed at providing a reliable operating conditions for the system, as a reduction technology NO X, [Wilks, who have shown that it is possible to use a recirculation rate of up to 30% ( Wilkes) and guard hold Mr. (Gerhold), 1980 years]. 再循環率Rは、燃焼室に投入される、再循環された燃焼排気の流量と新鮮な混合気の流量の比率として定義される。 Recirculation rate R is introduced into the combustion chamber is defined as the ratio of the flow rate of the flow rate and fresh mixture of recirculated flue gas.

この場合、 in this case,
IR =燃焼室内で再循環される燃焼排気 G ER =燃焼室外で再循環される燃焼排気 F=燃料 O X =新鮮な酸化剤(通常、空気)。 G IR = flue gas is recirculated in the combustion chamber G ER = combustion exhaust F = Fuel O X = fresh oxidant recirculated combustion outside (typically, air).

最近、ずっと高い燃焼排気再循環率において、火炎を安定化させることができることが分かった。 Recently, much higher flue gas recirculation rates, it was found that it is possible to stabilize the flame. このことにより、不可視、不可聴な火炎を作り出す燃焼モードを生み出すことができる。 Thus, it is possible to produce a combustion mode to create an invisible, inaudible flame. そのような火炎は、一様な温度と濃度分布、および過熱点が無いことと関連している。 Such flame is associated with the absence uniform temperature and density distribution, and hot spots.

この明細書の趣旨に関して、「高希薄燃焼(highly diluted combustion )」と称する、この代替の燃焼モードは、反応混合気の非常に高いレベルの希薄化の結果として発生するものである。 Respect purposes of this specification, referred to as "high-lean combustion (highly diluted combustion)" combustion mode of this alternative is to occur as a result of very high levels dilution of the reaction mixture. この高レベルの希薄化は、局在化した温度ピークの形成を防止し、そのため、NO Xの発生を減少させる。 The dilution of high level, to prevent the formation of temperature peaks localized, therefore, reduce the occurrence of NO X. 可燃性の希薄混合気の自己発火を起こす動作構成を実現するためには、自己発火閾値を超える混合気温度を達成する必要がある。 To achieve the operating configuration causing self ignition of combustible lean mixture, it is necessary to achieve the air-fuel mixture temperature above the autoignition threshold. そのような条件は、従来の希薄化されていない可視火炎と比較して、初期火炎温度と断熱火炎温度間における非常に低い温度差をもたらす。 Such conditions, as compared with visible flame is not conventional dilution, results in a very low temperature difference between the initial flame temperature and adiabatic flame temperature.

この場合、 in this case,
ad =断熱火炎温度(K) T ad = adiabatic flame temperature (K)
in =反応混合気の初期温度(K) T in = reaction mixture in the initial temperature (K)
ΔH R =反応熱(kJ/kg) [Delta] H R = reaction heat (kJ / kg)
p =反応混合気の比熱 Y Fuel =燃焼した燃料のモル分率 R=再循環率 F=燃料の分子比 O X =酸化剤の分子比。 molar ratio of c p = reaction mixture specific heat Y Fuel = molecular ratio O X = oxidant mole fraction R = the recirculation rate F = fuel fuel burned.

上記の二つの式は、Rが増加するにつれて、混合気の断熱火炎温度(T ad )と初期温度(T in )間の差が減少することを示している。 Two equations above, as R increases, the difference between the adiabatic flame temperature of the gas mixture (T ad) and initial temperature (T in) has shown that a decrease. 再循環率Rは、燃焼室に投入される、再循環された燃焼排気と新鮮な酸化剤の流れとの間のエネルギー・バランスの結果なので、これは、初期温度(T in )の値に作用する。 Recirculation rate R is introduced into the combustion chamber, so the result of the energy balance between the flow of recirculated flue gas and fresh oxidant, which acts on the value of the initial temperature (T in) to. しかし、断熱燃焼の標準的な式と関連させて、上記の式を更に変形させることによって示されるとおり、Rの値は、断熱火炎温度(T ad )の値に影響を及ぼさない。 However, in conjunction with standard formulas adiabatic combustion, as indicated by further deforming the above equation, the value of R has no effect on the value of the adiabatic flame temperature (T ad).

この場合、 in this case,

oxi =酸化剤の入口温度 φ=当量比 Y oxi =酸化剤のモル分率。 T oxi = inlet temperature of the oxidant phi = equivalent ratio Y oxi = mole fraction of the oxidizing agent.

これまで、高希薄燃焼を利用するのに、二段階の混合プロセスを得るために、燃料と空気を別々に燃焼室に噴射する方法に頼ってきた。 Previously, to utilize high lean burn, in order to obtain the mixing process of two stages, and the fuel and air have relied on a method of injecting into the combustion chamber separately. 点火可能となる前に、混合気の所望の温度条件を達成するために、新鮮な空気を再循環した燃焼排気と混合し、更に、それを燃料と混合する。 Before it can ignite, to achieve the desired temperature conditions of the mixture, mixed with recirculated flue gas and fresh air, further mixing it with the fuel. 特許文献1は、200%より高い燃焼排気再循環率に対してのみ、安定した、高希薄で、汚染の無い火炎が得られることを明らかにしている。 Patent Document 1, only the higher than 200% flue gas recirculation rate, stable, high lean, no pollution flame has revealed that obtained. 更に、実際には、高希薄な燃焼は、製鉄産業で用いられるプロセスや、ガラス製造に関連したプロセスなどの、大気圧で動作する高温プロセスに対してのみ適用されている。 Furthermore, in practice, a high lean combustion processes and used in steel industry, such as processes associated with glass production, has been applied only to a high-temperature process that operates at atmospheric pressure.

この当量比のパラメーター(φ)は、しばしば燃焼の標準的な文献で見かけられ、以下のとおり、簡単に定義される。 The equivalent ratio of parameters (phi) is often apparent in the standard literature combustion, as follows, are easily defined.

この空気と燃料の相対比λは、以下のとおり定義される。 The relative ratio of air and fuel λ is defined as follows.

この場合、 in this case,
%fuelと%air は、それぞれ燃料と空気のモル百分率(またはモル分率)であり、以下のとおり導かれる。 % Fuel and% air are each fuel and air molar percentages (or mole fraction) is guided as follows.

そして、この場合、 And, in this case,
AirとF Fuelは、それぞれ空気と燃料のモル流量である。 F Air and F Fuel is the molar flow rates of air and fuel.

過剰空気量は、e(%)=(λ−1)*100と定義される。 Excess air volume is defined as e (%) = (λ-1) * 100.

燃焼は、通常反応混合気の理論空燃比(stoichiometry )によって特徴付けられる。 Combustion is characterized by the stoichiometric air-fuel ratio of the normal reaction mixture (stoichiometry).


λ<1(φ>1):燃料の濃い混合気−濃い理論空燃比 λ=φ=1:理論空燃比条件 λ>1(φ<1):燃料の希薄な状態−希薄な理論空燃比 λ <1 (φ> 1): rich mixture of fuel - dark stoichiometric air-fuel ratio λ = φ = 1: stoichiometric air-fuel ratio conditions λ> 1 (φ <1): lean state of the fuel - lean stoichiometric air-fuel ratio

ガスタービンは、一般的には、加圧して、720Kに予熱した酸化剤(通常は空気)とともに、約20バールで、約1750Kの火炎温度において、非常に希薄な火炎(λ≧2)で動作している。 Gas turbines are typically pressurized, preheated oxidant 720K with (usually air) at about 20 bar, at flame temperatures of about 1750K, operate in very dilute flame (lambda ≧ 2) doing. 一般的なシステムは、20ms程度の滞留時間に対して、3msから5ms程度の点火遅延時間を有する。 Common systems for a residence time of about 20 ms, with a 5ms about ignition delay time 3 ms. 目標排出レベルは、UHCとCOは、10ppmより少なく、NO Xは、一桁のppmである(15%のO 2で正規化)。 Target discharge levels, UHC and CO is less than 10 ppm, NO X is (normalized with 15% O 2) is a single digit ppm. これらの例に挙げた条件は、エンジン全負荷動作モードで動作するガスタービンに関するものであり、上記の制約を考慮する必要がある。 Conditions listed in these examples relates to a gas turbine operating at engine full load operation mode, it is necessary to consider the above constraints.

高希薄燃焼モードは、この希薄化の結果の混合温度が自己発火閾値を超えるように、新鮮な混合気に対して十分な量の燃焼排気を再循環させることによって実現される。 High lean combustion mode, the mixing temperature of the results of this dilution is to exceed the autoignition threshold, it is achieved by recycling a sufficient amount of combustion exhaust against fresh mixture.

高希薄燃焼に関する従来の技術(例えば、特許文献1)は、大気圧(すなわち、1バール)で行われる、(例えば、加熱炉内の)高温プロセスに対するものである。 Prior art relating to high-lean burn (for example, Patent Document 1), atmospheric pressure (i.e., 1 bar) takes place in, is for (e.g., in the heating furnace) temperature process. この場合、通常燃焼は、1<λ<1.5(特に、λ=1.1、すなわち10%の過剰空気)で行われる。 In this case, the normal combustion is carried out at 1 <λ <1.5 (in particular, lambda = 1.1, or 10% excess air). 不可視火炎の高希薄燃焼モードを実現するためには、200%より高い再循環率が必要であることが明らかにされている。 To achieve high lean-burn mode of the invisible flame, to be necessary is higher than 200% recirculation rate has been demonstrated. また、従来の技術は、高希薄燃焼に対する要件として、酸化剤の予熱を挙げている。 Further, the prior art, as a requirement for high lean combustion, cited preheating of the oxidizing agent.

ガスタービンにおいて高希薄燃焼モードを実現することにより、断熱温度と初期温度の差(ΔT)を一層低くした形で、火炎温度を所望の動作値に保持することが可能となる。 By realizing high-lean combustion mode in a gas turbine, in a way that the difference between the adiabatic temperature and the initial temperature ([Delta] T) was even lower, it is possible to hold the flame temperature to a desired operating value. このことは、高温度点を抑制する問題を解決するのに役立つとともに、一様な温度領域を実現することによって、排出レベルと燃焼効率に関する利点をもたらすものである。 This, together with the help solve the problem of suppressing the high temperature point, by realizing a uniform temperature region, in which offers advantages regarding emission levels and combustion efficiency.

ガスタービンにおいて高希薄燃焼を実現するためには、ガスタービンに関連した時間的な特性を考慮する必要がある。 To achieve high lean combustion in a gas turbine, it is necessary to consider the temporal characteristics related to the gas turbine. 反応混合気を希薄化することは、プロセスの反応速度を遅らせる効果を持ち、そのため点火遅延時間と全体の反応時間の両方に影響を与える。 To dilute the reaction mixture has the effect of delaying the reaction rate of the process, affecting both its for ignition delay time and the total reaction time.
米国特許第5154599号明細書 US Pat. No. 5154599

この発明の課題は、関連する動作条件および制約を考慮して、高希薄燃焼技術のガスタービンへの適用について規定することである。 Object of the present invention, in consideration of the relevant operating conditions and constraints, is to define the application of the gas turbine high lean burn technology.

この発明の第一の特徴にもとづき、高希薄モードで動作するように構成したガスタービンが規定され、このタービンは、酸化剤を圧縮するように構成したコンプレッサーと、この圧縮された酸化剤を受け入れて、燃焼排気を排出する手段を実現するように構成した燃焼室と、タービンと、この燃焼室から出て来る燃焼排気を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤と混合して、100%から200%までの燃焼排気再循環率で高希薄燃焼モードを実現するするように構成した燃焼排気再循環手段とを有する。 Based on the first aspect of the present invention, configured gas turbine is specified to operate with a high lean mode, the turbine, receiving a compressor configured to compress the oxidant, the compressed oxidant Te, a combustion chamber which is configured to implement a means for discharging the combustion exhaust, and the turbine, by recirculating flue gas exiting from the combustion chamber, the combustion exhaust, compressed emerging from the compressor It was mixed with an oxidizing agent, and a combustion exhaust gas recirculation means arranged to achieve high lean combustion mode in the combustion exhaust gas recirculation rate from 100% to 200%.

このようなガスタービンは、酸化剤を燃焼室に投入する前に、それを更に予熱する必要が無い形で、高希薄燃焼モードで動作するように構成される。 Such gas turbine prior to feeding oxidizer in a combustion chamber, a further form there is no need to preheat it, configured to operate at a high lean-burn mode. これは、酸化剤がコンプレッサーでの圧縮操作により加熱されるためである。 This is because the oxidizing agent is heated by the compression operation in the compressor. このことは、酸化剤を予熱するための分離した手段が、特定の燃焼条件を達成するのに必要な、希薄化された燃焼/酸化剤混合気の自己発火を実現するための要件である、従来の技術における高希薄燃焼の適用とは対照的である。 This is separate means for preheating an oxidant, a requirement for achieving the self-ignition of the combustion / oxidizing agent mixture of a, is diluted required to achieve a particular combustion conditions, the application of high lean burn in the prior art is in contrast.

従来のガスタービンシステムでは、一般的には渦流装置により空気力学的に安定化した、希薄な予混合火炎が用いられる。 In conventional gas turbine systems, in general and aerodynamically stabilized by vortex device, lean premixed flame is used. これに対して、この発明の第一の特徴にもとづくガスタービンは、そのような空気力学的な安定化を必要としない。 In contrast, the gas turbine based on the first aspect of the present invention does not require such aerodynamic stabilization.

特に好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、100%から150%までの燃焼排気再循環率を実現するように構成される。 In a particularly preferred embodiment, the combustion exhaust gas recirculation means is configured to achieve a combustion exhaust gas recirculation rate from 100% to 150%.

好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、燃焼室内で燃焼排気再循環を実現するように構成される。 In a preferred embodiment, the combustion exhaust gas recirculation means is configured to achieve a combustion exhaust gas recirculation in the combustion chamber. 別の好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、燃焼室外で燃焼排気再循環を実現するように構成される。 In another preferred embodiment, the combustion exhaust gas recirculation means is configured to achieve a combustion exhaust gas recirculation in the combustion chamber. この燃焼排気再循環手段は、タービンから出て来る燃焼排気を再循環させるように構成される。 The combustion exhaust gas recirculating means is arranged to recirculate the combustion exhaust coming out of the turbine. 好ましくは、このガスタービンは、タービンから出て来る再循環する燃焼排気を冷却するとともに、このタービンから出て来る再循環する燃焼排気を、酸化剤とともにコンプレッサーに供給するように構成される。 Preferably, the gas turbine to cool the combustion exhaust gas recirculation comes out from the turbine, and a combustion exhaust gas recirculation emerges from the turbine, to supply to the compressor together with the oxidizing agent. 特に好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、燃焼室の内と外における手段を組み合わせて、燃焼排気再循環を実現するように構成される。 In a particularly preferred embodiment, the combustion exhaust gas recirculating means combines the means in the inner and outer combustion chamber configured to provide a flue gas recirculation.

好ましい実施形態においては、このガスタービンは、更に、圧縮された酸化剤を、この酸化剤を燃焼室に投入する前に加熱するように構成した酸化剤予熱手段を有する。 In a preferred embodiment, the gas turbine is further compressed oxidant comprises an oxidant preheating means arranged to heat before turning the oxidizing agent to the combustion chamber. 好ましくは、この酸化剤予熱手段は、圧縮された酸化剤を加熱するために、タービンから出て来る排気の熱を利用するように構成した熱交換器を有する。 Preferably, the oxidizing agent preheating means to heat the compressed oxidant has a configuration the heat exchanger to utilize exhaust heat coming out of the turbine. 特に好ましい実施形態においては、この熱交換器は、復熱装置または再生器で構成される。 In a particularly preferred embodiment, the heat exchanger is composed of a recuperator or regenerators. 好ましくは、タービンから出て来る再循環する燃焼排気は、この熱交換器を用いて冷却される。 Preferably, the combustion exhaust gas recirculation emerging from the turbine is cooled using a heat exchanger.

好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、燃料と酸化剤の予混合した流れが燃焼室に入る前に、この予混合した流れと、この再循環する燃焼排気を混合するように構成される。 In a preferred embodiment, the combustion exhaust gas recirculating means, before premixing the flow of fuel and oxidant enters the combustion chamber, the flow of this premix is ​​configured to mix the combustion exhaust gas this recirculation that.

好ましい実施形態においては、この酸化剤予熱手段は、外部熱源を有する。 In a preferred embodiment, the oxidizing agent preheating means has an external heat source. 特に好ましい実施形態においては、この外部熱源は、触媒形予燃焼器で構成される。 In a particularly preferred embodiment, the external heat source is composed of a catalytic-type pre-combustor.

好ましい実施形態においては、酸化剤は、酸素である。 In a preferred embodiment, the oxidizing agent is oxygen.

この発明の第二の特徴にもとづき、無火炎蒸気噴射ガスタービンが規定され、このタービンは、この発明の第一の特徴にもとづくガスタービンと、酸化剤と燃料の混合気を更に希薄化するために、タービンから出る来る燃焼排気のエネルギーを利用して蒸気を作り、この蒸気を燃焼室に供給するように構成した蒸気発生器とを有する。 Based on the second aspect of the present invention, no flame steam injection gas turbine is defined, this turbine, a gas turbine based on the first aspect of the present invention, in order to further dilute the mixture of oxidant and fuel to, by utilizing the energy of the coming flue gas exiting the turbine creates a steam and a steam generator configured to supply the steam into the combustion chamber.

この好ましい実施形態においては、この無火炎蒸気噴射ガスタービンは、閉ループシステムとして動作し、更に、この蒸気を凝縮して、発生した水を蒸気発生器に再投入するように構成した凝縮器を有する。 In this preferred embodiment, the non-flame steam injection gas turbine operates as a closed loop system, further, to condense the steam, having a condenser and generated water was configured to reenter the steam generator .

好ましい実施形態においては、この無火炎蒸気噴射ガスタービンは、開ループシステムとして動作するとともに、その際蒸気発生器は、継続して水を補給される。 In a preferred embodiment, the non-flame steam injection gas turbine is configured to operate as an open loop system, where the steam generator is supplied with water continuously.

好ましい実施形態においては、蒸気発生器によって作られた蒸気の一部は、タービンの出力パワーを増加させるために、タービンに供給される。 In a preferred embodiment, a portion of the steam produced by the steam generator, in order to increase the output power of the turbine, is supplied to the turbine.

この発明の第三の特徴にもとづき、ガスタービンを動作させる方法が規定され、この方法は、酸化剤を圧縮するコンプレッサーを用いることと、この圧縮された酸化剤を受け入れ、燃焼排気を排出する手段を備えた燃焼室を用いることと、タービンを用いることと、この燃焼室から出て来る燃焼排気を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤と混合して、100%から200%までの燃焼排気再循環率で高希薄燃焼モードを実現する燃焼排気再循環手段を用いることとを有する。 Based on the third aspect of the present invention is defined a method of operating a gas turbine, the method includes using a compressor for compressing the oxidant accepts the compressed oxidant, means for discharging the combustion exhaust and the use of a combustion chamber and a the use of a turbine, by recirculating flue gas exiting from the combustion chamber, the combustion exhaust is mixed with compressed oxidant emerging from the compressor Te, and a the use of a combustion exhaust gas recirculation means to achieve high lean combustion mode in the combustion exhaust gas recirculation rate from 100% to 200%.

特に好ましい実施形態においては、この方法は、更に、100%から150%までの燃焼排気再循環率を実現する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。 In a particularly preferred embodiment, the method further comprises the use of flue gas recirculation means for implementing the combustion exhaust gas recirculation rate from 100% to 150%.

好ましい実施形態においては、この方法は、燃焼室内で燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。 In a preferred embodiment, the method comprises the use of flue gas recirculation means for implementing the combustion exhaust gas recirculation in the combustion chamber. 別の好ましい実施形態においては、この方法は、燃焼室外で燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。 In another preferred embodiment, the method comprises the use of flue gas recirculation means for implementing the combustion exhaust gas recirculation in the combustion chamber. この方法は、タービンから出て来る燃焼排気を再循環させる燃焼排気再循環手段を用いることを有する。 This method comprises the use of flue gas recirculation means for recirculating flue gas exiting the turbine. 好ましくは、この方法は、更に、タービンから出て来る再循環する燃焼排気を酸化剤とともにコンプレッサーに供給する前に、このタービンから出て来る再循環する燃焼排気を冷却することを有する。 Preferably, the method further comprises that prior to feeding to the compressor together with an oxidizing agent combustion exhaust gas recirculation comes out from the turbine to cool the combustion exhaust gas recirculation emerges from the turbine. 特に有利な実施形態においては、この方法は、更に、燃焼室の内と外での手段を組み合わせて、燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。 In a particularly advantageous embodiment, the method further combination with means at the inner and outer combustion chamber, has the use of flue gas recirculation means for implementing the combustion exhaust gas recirculation.

好ましい実施形態においては、この方法は、圧縮された酸化剤を燃焼室に投入する前に、この酸化剤を加熱する酸化剤予熱手段を用いることを有する。 In a preferred embodiment, the method, before turning on the compressed oxidant to the combustion chamber, with the use of oxidizing agent preheating means for heating the oxidizing agent. 好ましくは、この方法は、この酸化剤予熱手段を実現する熱交換器を用いることと、タービンから出て来る排気の熱を利用して、圧縮された酸化剤を加熱するために、この熱交換器を用いることとを有する。 Preferably, the method includes the use of heat exchangers to achieve this oxidant preheating means, by utilizing the exhaust heat coming out of the turbine, for heating the compressed oxidizing agent, the heat exchanger and a the use of a vessel. 特に有利な実施形態においては、この方法は、この熱交換器を、復熱装置または再生器の形で実現することを有する。 In a particularly advantageous embodiment, the method, the heat exchanger has to be implemented in the form of a recuperator or regenerators. この方法は、タービンから出て来る再循環する燃焼排気を冷却するために、この熱交換器を用いることを有する。 This method, in order to cool the combustion exhaust gas recirculation comes out from the turbine, with the use of this heat exchanger.

好ましい実施形態においては、この方法は、再循環する燃焼排気を、燃料と酸化剤の予混合した流れが燃焼室に入る前に、この予混合した流れと混合する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。 In a preferred embodiment, the method, the combustion exhaust gas recirculation, before premixing the flow of fuel and oxidant enters the combustion chamber, the use of flue gas recirculation means for mixing this premix with stream having.

好ましい実施形態においては、この方法は、この酸化剤予熱手段を実現すために、外部熱源を用いることを有する。 In a preferred embodiment, the method, in order to realize this oxidant preheating means comprises the use of external heat source. 特に有利な実施形態においては、この方法は、この外部熱源を実現するために、触媒形予燃焼器を用いることを有する。 In a particularly advantageous embodiment, the method, in order to realize this external heat source, with the use of a catalyst type pre-combustor.

好ましい実施形態においては、この方法は、酸化剤として酸素を用いることを有する。 In a preferred embodiment, the method comprises the use of oxygen as an oxidizing agent.

この発明の第四の特徴にもとづき、無火炎蒸気噴射ガスタービンを動作させる方法が規定され、この方法は、この発明の第一の特徴にもとづくガスタービンを用いることと、酸化剤と燃料の混合気を更に希薄化するのに、このタービンから出て来る燃焼排気のエネルギーを用いて蒸気を作り、この蒸気を燃焼室に供給する蒸気発生器を用いることとを有する。 Based on the fourth aspect of the present invention is defined a method of operating a non-flame steam injection gas turbine, the method includes the use of gas turbine based on the first aspect of the invention, mixing of the oxidizer and fuel to further dilute the gas, creating a vapor using the energy of the combustion exhaust coming out of the turbine, and a the use of a steam generator for supplying steam to the combustion chamber.

好ましい実施形態においては、この方法は、この無火炎蒸気噴射ガスタービンを、閉ループシステムとして動作させることと、蒸気を凝縮して、発生した水を蒸気発生器に再投入する凝縮器を用いることとを有する。 In a preferred embodiment, the method, the non-flame steam injection gas turbine, and to operate as a closed loop system, to condense the steam, the generated water using a condenser for reintroduction into the steam generator having.

好ましい実施形態においては、この方法は、この無火炎蒸気噴射ガスタービンを、開ループシステムとして動作させることと、蒸気発生器に水を継続的に補給することとを有する。 In a preferred embodiment, the method comprises the non-flame steam injection gas turbine, and to operate as an open loop system, and to continually replenish the water in the steam generator.

好ましい実施形態においては、この方法は、タービンの出力パワーを増加させるために、蒸気発生器により作られた蒸気の一部をタービンに供給することを有する。 In a preferred embodiment, the method, in order to increase the output power of the turbine has to supply a portion of the steam produced by the steam generator to the turbine.

ここでは、この発明をより良く理解してもらうために、この発明にもとづくガスタービンの幾つかの実施形態を、図面を参照して記述する。 Here, in order to have a better understanding of the present invention, several embodiments of a gas turbine based on the present invention is described with reference to the drawings.

図1は、コンプレッサー2、燃焼室3およびタービン4を配備した、この発明の第一の実施形態にもとづくガスタービン1の模式図である。 1, a compressor 2, deployed combustion chamber 3 and the turbine 4 is a schematic view of a gas turbine 1 according to a first embodiment of the present invention. ガスタービンの動作原理とコンプレッサー2、燃焼室3およびタービン4間の動作上の関係は、当業者には非常に良く知られており、ここでは詳細には述べない。 The operating principle and compressor 2 of the gas turbine, the operational relationship between the combustion chamber 3 and the turbine 4, are very well known to those skilled in the art, not described in detail herein. この発明は、使用するコンプレッサー2、タービン4または燃焼室3の形式によって制限されない。 This invention is not limited compressor 2 to be used, the form of the turbine 4 or combustion chamber 3. 例えば、燃焼室3は、筒形、環状または環状筒形である。 For example, the combustion chamber 3 is cylindrical, cyclic or-annular. 燃焼室3の形式の選択は、空間的な制約、混合能力、排出能力および所望の出力レベルによって決められる。 Format Selection of the combustion chamber 3, spatial restrictions, mixing capacity is determined by the discharge capacity and the desired output level. さらに、この発明は、使用する燃料の形式によっても制限されず、ガスタービンに適した燃料であればどれでも、この実施形態およびこの発明の別の実施形態で使用することができる。 Further, the invention is not limited by the form of the fuel used, Any if fuel suitable for the gas turbine, can be used in this embodiment and another embodiment of the present invention.

コンプレッサー2は、この実施形態では空気である、酸化剤5を外部環境から吸入して、それを所要の動作圧力にまで圧縮する。 Compressor 2 is air in this embodiment, by inhalation of oxidizing agent 5 from the external environment, compresses it to the required operating pressure. これに代わって、その他の酸化剤を用いることが可能であり、その場合には、コンプレッサーには、適当な保管手段から酸化剤のガスが供給される。 Alternatively, it is possible to use other oxidizing agents, in which case, the compressor, the gas of the oxidizing agent is supplied from a suitable storage means. 所要の動作圧力は、20バールであり、酸化剤は、圧縮操作により720Kまで加熱される。 Desired operating pressure is 20 bar, the oxidizing agent is heated to 720K by the compression operation. しかし、異なるタービン構造またはその他の酸化剤を使用するためには、異なる圧力が必要である。 However, in order to use the different turbine structures or other oxidizing agents, it requires different pressures.

圧縮された酸化剤6は、コンプレッサー2から出て、この圧縮された酸化剤の一部8は、冷却剤として使用するために、燃焼室3をバイパスして、タービン4の上流に送られる。 Compressed oxidant 6 exit from the compressor 2, a part 8 of the compressed oxidant for use as a coolant, bypassing the combustion chamber 3, are sent to the upstream of the turbine 4. この圧縮された酸化剤の部分8は、コンプレッサー2から出力される圧縮された酸化剤6の全体の10%から25%である。 This portion 8 of the compressed oxidant is 25% to 10% of the total oxidizer 6 which has been compressed is output from the compressor 2. これに代わって、コンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤6の全部を、燃焼室3に直接送ることができる。 Alternatively, all of the oxidizer 6 which are compressed exiting from the compressor, can be sent directly into the combustion chamber 3. 全負荷動作においては、圧縮された酸化剤6は、一般的には725Kの温度と20バールの圧力を有する。 In full load operation, the compressed oxidant 6 is generally a pressure temperature and 20 bar 725K.

次に、冷却剤として使用しない、圧縮された酸化剤の部分7は、燃焼室3に送る前に、再循環する燃焼排気12,13と混合される。 Then, not used as a coolant, the portion 7 of the compressed oxidant before being sent to the combustion chamber 3 and is mixed with combustion exhaust 12, 13 to be recycled. 燃焼室3では、燃料と圧縮された酸化剤の混合気は、関連の不可視、不可聴火炎を伴って、高希薄モードで燃焼される。 In the combustion chamber 3, mixture of fuel and compressed oxidant, with related invisible, inaudible flame is burned in high lean mode. 燃焼室内の排気は、一般的には1800Kである。 Exhaust in the combustion chamber is generally a 1800 K. NO Xレベルは、一般的には5ppm未満であり、COレベルは、10ppm未満である。 NO X level, generally less than 5 ppm, CO level is less than 10 ppm.

新鮮な酸化剤7と新鮮な燃料は、酸化剤7、燃料および燃焼排気12,13間で相応の混合が起こるような形で、燃焼室3内に噴射される。 Fresh fuel and fresh oxidant 7, the oxidizing agent 7, in such a way that mixing the corresponding between fuel and combustion exhaust 12, 13 takes place, is injected into the combustion chamber 3. この実施形態は、酸化剤7と燃焼排気12,13を、新鮮な燃料と接触させる前に混合する、予混合噴射システムを用いている。 This embodiment, the oxidizing agent 7 and the combustion exhaust 12, 13 are mixed prior to contacting with fresh fuel, it is used premixed injection system. これに代わって、新鮮な燃料を、新鮮な酸化剤7と接触させる前に、燃焼排気12,13と混合することができる。 Alternatively, fresh fuel, prior to contact with the fresh oxidant 7, can be mixed with combustion exhaust 12. しかし、動作システムの特定の構造と要件にもとづき、異なる混合構成を用いることができる。 However, based on the specific structure and requirements of the operation system, it is possible to use a different mixing configurations. 他の実施形態においては、2段階の予混合燃焼器を用いることが可能であり、そこでは、燃焼排気12,13の一部は、新鮮な酸化剤7と予混合され、残りは、新鮮な燃料と予混合されて、出来上がったこれらの二つの混合気の完全な混合は、下流の第二段の混合器で行われる。 In another embodiment, it is possible to use a two-stage premix combustion, where the part of the combustion exhaust 12 is fresh oxidant 7 premix, rest, fresh are mixed fuel and pre, complete mixing of the finished these two air-fuel mixture is carried out in the mixer of the second stage downstream.

更に別の実施形態においては、新鮮な酸化剤7と新鮮な燃料を、拡散形噴射システムにより供給することができ、その空気力学は、新鮮な酸化剤7が、燃料と接触する前に、燃焼排気12,13と接触させて、酸化剤7と燃料が最終段で接触する形で、燃焼室3で混合が起こるように構成することができる。 In yet another embodiment, a fresh fuel and fresh oxidant 7, it can be supplied by diffusion-type injection system, the aerodynamics, the fresh oxidant 7, prior to contact with the fuel, the combustion in contact with the exhaust 12, 13, in the form of oxidizing agent 7 and the fuel is in contact with the final stage, it may be configured to mix takes place in the combustion chamber 3. これに代わって、燃料が、酸化剤7と接触する前に、先ず燃焼排気12,13と接触するように、拡散形噴射システムを構成することができる。 Alternatively, the fuel, prior to contact with the oxidizing agent 7, firstly in contact with the combustion exhaust 12, 13, it is possible to construct a diffusion-type injection system.

最適な混合法は、システムの空間的な制約、許容される圧力の低下および最小限必要な滞留時間によって決まる。 Optimum mixing method, spatial constraints of the system, determined by the reduction and the minimum required residence time of the acceptable pressure.

燃料/空気混合気の理論空燃比としては、従来の希薄予混合ガスタービンシステムに必要なほどに極度に希薄でなければならないということではない。 The stoichiometric air-fuel ratio of the fuel / air mixture, not that it must be extremely dilute enough necessary conventional lean premixed gas turbine system. 当量比(φ)は、自己発火温度を超えた反応混合気を実現するように調整することができ、その燃焼は、低排出を生み出す、所要のタービン入口温度を満たすものである。 Equivalence ratio (phi) can be adjusted to achieve the reaction mixture exceeds the autoignition temperature, the combustion produces a low-emission, satisfies the required turbine inlet temperature. この点に関して、反応混合気の当量比は、燃焼排気再循環率とともに、そのような要件を満足するように調整される。 In this regard, the equivalent ratio of the reaction mixture, together with the combustion exhaust gas recirculation rate is adjusted so as to satisfy such requirements.

この実施形態においては、燃焼排気の再循環は、燃焼室3の内12と外13における手段を組み合わせることにより行われる。 In this embodiment, the recirculation of combustion exhaust is performed by combining the means of 12 and the outer 13 of the combustion chamber 3. これに代わって、燃焼排気の再循環は、燃焼室3の内または外のどちらかで、その全部を行うことができる。 Alternatively, the recirculation of combustion exhaust, either inside or outside of the combustion chamber 3, can be performed in its entirety.

燃焼が一旦起こると、燃焼排気9は、燃焼室3から出て、冷却剤の流れとして用いられる圧縮された酸化剤8の一部と合流する。 When combustion once occurs, the combustion exhaust 9 exits the combustion chamber 3, and merges with the portion of compressed oxidant 8 is used as the coolant flow. 次に、冷却剤の流れとして用いられる燃焼排気9と酸化剤8の混合気10は、タービン4に流入する。 Next, the air-fuel mixture 10 in the combustion exhaust 9 used as a coolant flow oxidizer 8, flows into the turbine 4. この排気の混合気10は、タービン4を駆動して、その後これらの排気は、排気ガス11として放出される。 Mixture 10 of the exhaust drives the turbine 4, then these exhaust is discharged as an exhaust gas 11.

高レベルの燃焼排気再循環が、不可視で、高希薄な火炎を作り出すのに必要である。 High levels of combustion exhaust gas recirculation, invisible, it is necessary to create a high-lean flame. 再循環率は、実施形態に応じて変化させることができるとともに、同じ燃焼システムにおける異なるエンジン負荷の要件に応えるために、動作中に変えることができる。 Recirculation rate, it is possible to vary depending on the embodiment, in order to meet the different requirements of the engine load in the same combustion system can be varied during operation. 再循環率、およびその燃焼室3の内12と外13における手段間の配分の正確な選定は、システムの混合気自己発火閾値、使用する再循環システム、最小滞留時間、許容される圧力低下、および混合能力などの要因によって決まる。 Recirculation rate, and the exact choice of distribution between means in 12 and outer 13 of the combustion chamber 3, the air-fuel mixture autoignition threshold of the system, recirculation system used, the minimum residence time, acceptable pressure drop, and it depends on factors such as mixing capabilities. ガスタービンを、再循環率0で動作させる場合、標準の希薄化していない火炎形式の燃焼が行われる。 The gas turbine, when operating in the recirculation rate of 0, the combustion flame type that is not diluted in the standard is carried out.

図10は、再循環率100%での高希薄火炎と、再循環率0での標準の希薄化していない火炎に関する実験結果の比較を示している。 Figure 10 shows a high lean flame at 100% recirculation rate, the comparison of the experimental results on the flame which is not standardized dilution of at recirculation rate 0. この実験は、燃料として天然ガスを用い、入口温度600°Cで行われた。 This experiment, a natural gas used as fuel, was carried out at an inlet temperature 600 ° C. 図10は、高希薄火炎によって生じたNO Xの量が、基準火炎よりも、火炎温度に対して敏感でないことを示している。 10, the amount of the NO X produced by the high lean flame, than the reference flame, indicating that it is not sensitive to flame temperature. 1800Kでは、希薄火炎は、基準火炎に比較して、生じるNO Xの量が40%低下することを示している。 In 1800 K, lean flame, as compared to the reference flame, the amount of generated NO X indicates a decrease of 40%.

図10は、特に、サーマルNO Xの発生が温度に強く依存するために、NO Xの発生が問題となる高い発火温度において、高レベルの燃焼排気再循環を用いた燃焼が、NO Xの発生を低減するのに効果的であることを示している。 Figure 10 is particularly for the generation of thermal NO X is strongly dependent on the temperature, the higher ignition temperatures occur of the NO X becomes a problem, combustion with flue gas recirculation for a high level of the NO X generation and it is shown to be effective in reducing. このことにもとづき、燃焼排気再循環と高希薄燃焼が、ガスタービンで一般的に用いられる希薄火炎における、良く知られたサーマルNO Xの発生の問題を緩和することができるものである。 Based on this fact, the combustion exhaust gas recirculation and high lean combustion, in which can be alleviated in the general dilute flame used, well-known thermal NO X generation problems in the gas turbine. 実験により、600°Cより高い入口温度を用いることで、高希薄火炎と関連したNO Xが、より大きく削減されることが示されている。 Experiments By using a higher inlet temperature than 600 ° C, NO X associated with high lean flame have been shown to be reduced more greatly. それは、また高希薄燃焼が、基準火炎より良好なNO X生成能力を持つ動作温度範囲を拡大する効果を有するものである。 It also highly lean combustion and has the effect of expanding the operating temperature range with a good NO X generation capability than the reference flame.

一般的なガスタービン条件(例えば、0.6未満の当量比での希薄火炎)で動作する火炎を光学的に観察すると、高希薄燃焼と関連した不可視火炎の始まりに関して、その境界を識別することができる。 Typical gas turbine conditions (e.g., dilute the flame at an equivalence ratio of less than 0.6) Observation of the flame operating in optically, with respect to the beginning of the invisible flames associated with high lean combustion, to identify the boundary can. 一般的なガスタービン条件においては、再循環率100%で、不可視モードが達成されることが分かる。 In a typical gas turbine conditions, with the recirculation rate of 100%, it can be seen that the invisible mode is achieved. そのような再循環率は、従来技術において要件であると表明されていた再循環率300%より、著しく低い。 Such recirculation rate, than the recirculation rate of 300%, which had been expressed as a requirement in the prior art, significantly lower.

高温においては、大気圧での従来技術の燃焼の利用は、通常1<λ<1.5(より厳密には、λ=1.1、すなわち過剰空気10%)で行われる。 At high temperatures, the use of the prior art combustion at atmospheric pressure, (more precisely, lambda = 1.1, i.e. an excess of 10% air) usually 1 <lambda <1.5 is carried out by. ガスタービンシステムでは、動作条件が非常に異なり、λは、一般的には2以上であり、圧力は、一般的には20バールである。 In a gas turbine system, very different operating conditions, lambda is generally 2 or more, the pressure is generally between 20 bar. そのような条件では、2以上のλに対して、100%より高い燃焼排気再循環率は、高希薄燃焼に関連した不可視火炎を実現するのに十分であることが、実験的に観察されている。 In such conditions, with respect to two or more lambda, is higher than 100% flue gas recirculation rate, is sufficient to achieve a visible flame associated with increased lean combustion, it is observed experimentally there.

図13は、動作圧力と理論空燃比(λまたはラムダ)に関する、負荷に対する一般的なガスタービンエンジンの動作のグラフを示している。 13, operation pressure and the stoichiometric air-fuel ratio about (lambda or lambda) shows a graph of the operation of a typical gas turbine engine to the load. 光学的に観察すると、λの値が低くなるに従い、高希薄燃焼モードの始まりを許容するのに必要な燃焼排気再循環率が低くなることを示している。 When optically observed, depending on the value of λ decreases, the combustion exhaust gas recirculation rate necessary to allow the start of the high lean-burn mode is shown that lower. ガスタービンのプロセス温度は、主に反応混合気の理論空燃比によって制御され、希薄な理論空燃比は、低い断熱火炎温度と、そのために低いNO Xの排出をもたらすこととなる。 The process temperature of the gas turbine is controlled primarily by the stoichiometric air-fuel ratio of the reaction mixture, dilute the stoichiometric air-fuel ratio is lower and adiabatic flame temperature, and thus result in the emission of low NO X for this purpose.

従来技術では、燃焼排気再循環がプロセス温度を制限することが明らかである。 In the prior art, it is clear that the combustion exhaust gas recirculation limits the process temperature. 高レベルの酸化剤予熱においては、NO Xの排出を制限するために、プロセス温度を制御するには、高い燃焼排気再循環が必要である。 In the oxidant preheating high level, in order to limit the emission of NO X, in order to control the process temperature requires a higher flue gas recirculation.

従来技術では、燃焼排気が再循環される前に冷却されて、システムが非断熱になるので、燃焼排気再循環が、主にプロセス温度を制御するものである。 In the prior art, it is cooled before the flue gas is recirculated, since the system is uninsulated, the combustion exhaust gas recirculation, is intended primarily to control the process temperature. しかし、ガスタービンの燃焼室3は、高いサイクル効率を生み出すためには、出来るだけ断熱条件に近い条件で動作する必要がある。 However, the combustion chamber 3 of the gas turbine, to produce a high cycle efficiency, it is necessary to operate at conditions as close to adiabatic conditions possible. この結果、再循環前の燃焼排気12,13の冷却が最小限となり、このため燃焼排気12,13が非常に高温で再循環されるので、この発明の実施形態における準断熱燃焼排気再循環となる。 As a result, a minimum cooling of the recycle previous combustion exhaust 12, since this reason the combustion exhaust 12, 13 is recirculated at a very high temperature, and quasi adiabatic combustion exhaust gas recirculation in an embodiment of the present invention Become. また、これらの準断熱条件は、ガスタービンの燃焼室3において、従来技術で必要であると言われている値より低い再循環率で、高希薄燃焼モードを実現するのに役立つものである。 These quasi-adiabatic conditions, in the combustion chamber 3 of the gas turbine, with low recirculation rates than the value which is said to be necessary in the prior art, serve to achieve high lean-burn mode.

最適な再循環率は、個々のガスタービンの構造と個々の動作条件に応じて変化する。 Optimum recirculation rate will vary depending on the structure and the individual operating conditions of individual gas turbine. 化学反応速度的な研究により、高希薄燃焼モードで動作するガスタービンシステムの時間的な特性と排出能力に関する情報を計算することができる。 The chemical reaction rate studies, it is possible to calculate the information on the temporal characteristics and exhaust capacity of the gas turbine system to operate at high lean-burn mode. 図11は、動作圧力に対する混合気の全焼を実現するのに必要な滞留時間を計算したグラフを示している。 Figure 11 shows a graph obtained by calculating the residence time required to achieve the burnt air-fuel mixture for operation pressure. 図11は、100%から200%までの燃焼排気再循環率では、最小滞留時間と点火遅延において大きな効果があることを示している。 Figure 11 is a combustion exhaust gas recirculation rate from 100% to 200%, indicating that there is a large effect in minimum residence time and the ignition delay. しかし、これらの研究は、200%より大きな燃焼排気再循環率が、この点に関して、目に見えるほどの更なる効果をもたらさないことを示している。 However, these studies, large combustion exhaust gas recirculation rate than 200 percent, in this respect, indicating that does not result in further effects of visibly.

さらに、大気式のシステムに対して、ガスタービンは、厳しい圧力低下の制約に応えなければならない。 Furthermore, to the atmosphere type system, the gas turbine must meet the constraints of the severe pressure drop. ガスタービン燃焼システムと関連した圧力低下が低くなるに従い、サイクル効率が高くなる。 According pressure drop associated with the gas turbine combustion system is low, the cycle efficiency is increased.

図1の実施形態においては、燃焼室3内における燃焼排気再循環12は、高速噴射を用いて実現されている。 In the embodiment of FIG. 1, the combustion exhaust gas recirculation 12 in the combustion chamber 3 is realized by using a high-speed jet. 噴射の速度または運動量が高くなるに従い、再循環する排気の比率が高くなる。 According rate or momentum of the jet is increased, the proportion of exhaust gas recirculation is increased. しかし、より高速な噴射速度は、より高い圧力低下とも関連している。 However, faster injection rates is associated with a higher pressure drop.

空気力学的な研究では、一般的なガスタービンシステムに対して、圧力低下の制約を考慮しつつ、単純な高速噴射により達成可能な最大再循環率は、100%から200%まで変化することを示している(図12参照)。 The aerodynamic research for typical gas turbine systems, taking into account the constraints of pressure drop, the maximum recirculation rate achievable by a simple high-speed jet is to vary from 100% to 200% shows (see Fig. 12).

図12が示すとおり、再循環率は、渦流部品などの追加機器を用いて向上させることができる。 As shown in FIG. 12, the recirculation rate can be improved by using additional equipment such as swirl component. しかし、そのような機器を用いても、従来技術の大気式システムにおける高希薄燃焼の要件であると開示されている、200%を下回る場合には、なお容易に圧力低下の限界に達してしまう。 However, even with such devices, disclosed as a requirement of a high lean combustion in conventional air-type system, when less than 200% is still would easily reach the pressure drop limit .

一般的なガスタービンシステムにおいて、燃焼器モジュールに許される最大圧力低下は、動作圧力全体の3%である。 In a typical gas turbine systems, the maximum pressure drop allowed in the combustor module was 3% of the total operating pressure. 単一の自由噴射を用いることにより、燃焼器/噴射器モジュールの圧力低下を3%の限界より小さく保持する一方、200%より大きい再循環率を実現することができる。 By using a single free injector, combustor / injector module 3 percent while smaller than holding limit the pressure drop, it is possible to realize a 200% greater than the recirculation rate. しかし、非常に大きな空気対燃料比(すなわち、非常に希薄な混合気)と厳しい空間的な制約の下で動作するガスタービンは、単一の自由噴射にもとづく燃焼器を使用することができない。 However, very large air-to-fuel ratio (i.e., a very lean mixture) gas turbine operating under severe spatial constraints, can not use the combustor based on a single free injection. 高速噴射器の設計は、ガスタービンに関連した固有の空間的な制約と圧力低下の限界によって制限される。 Fast injector design is limited by the limitations inherent spatial constraints and pressure drop associated with the gas turbine. 各噴射は、隣接する噴射と干渉し合い、各個別の噴射の公称エントラップメント能力が劣化する。 Each injection is interfere with adjacent injection nominal entrapment capacity of each individual injection is deteriorated.

図14は、直径20mmのノズルを18個持つ燃焼器モジュールを有し、P=22バール、T in =470°C、燃焼器当りの空気=5.5kg/s、燃焼器への燃料=0.17kg/sという条件の下で動作するガスタービンにおける、再循環率に対する圧力低下のグラフである。 Figure 14 includes a combustor module with 18 nozzles with a diameter of 20 mm, P = 22 bar, T in = 470 ° C, combustor per air = 5.5 kg / s, the fuel = 0 to the combustor in a gas turbine operating under conditions of .17kg / s, which is a graph of pressure drop across the recirculation rate.

図14は、上記の条件の下で動作するシステムにおいては、約150%より大きい再循環率に対して、圧力低下の限界を超えていることを示している。 Figure 14 is, in a system operating under the above conditions, shows that with respect to about 150% greater than the recirculation rate is beyond the limits of pressure drop.

上述した二つの研究にもとづき、(高圧と非常に希薄な理論空燃比を特徴とする)ガスタービンシステムにおいては、100%より大きな再循環率で高希薄燃焼を行うことが好ましい。 Based on the two studies discussed above, (characterized by very dilute stoichiometric air-fuel ratio and the high pressure) in the gas turbine system, it is preferable to perform high-lean combustion with a large recirculation rate than 100%. これは、付随する過熱点が無く、温度と濃度分布が一様な、高希薄燃焼と関連した不可視火炎を実現するものである。 This no hot spots attendant, temperature and density distribution is uniform, thereby realizing an invisible flame associated with high lean combustion.

化学的な研究の結果、100%より大きな再循環率と関連して、プロセス時間に関する大きな利点があることが示されている。 Results of chemical studies, in conjunction with large recirculation rate than 100%, it has been shown that there is a great advantage on the process time. 同研究は、この有利な効果が200%より大きな再循環率に対しては、大きくは増加しないことを示している。 The study, for this beneficial effect is a large recirculation rate from 200%, indicating that no significantly increased. これにもとづき、ガスタービンシステムにおける高希薄燃焼は、100%から200%までの再循環率で行われるのが好ましい。 Based on this, a high lean combustion in a gas turbine system is preferably carried out in the recirculation rate from 100% to 200%. しかし、空気力学的な研究は、高い再循環率は、望ましくない大きな圧力低下と関連していることを示している。 However, aerodynamic studies, a high recirculation rate, indicating that associated with undesirably large pressure drop. そのため、200%より小さい、より好ましくは150%より小さい再循環率による高希薄モードでガスタービンを動作させることが好ましい。 Therefore, 200% less, more preferably to operate the gas turbine at high lean mode with 150% less than the recirculation rate.

この発明の別の実施形態においては、燃焼排気再循環率は、反応燃料/酸化剤混合気の目標とする熱条件を満たすのに十分ではない。 In another embodiment of the invention, the combustion exhaust gas recirculation rate is not sufficient to heat satisfy the condition that the target of the reaction the fuel / oxidant mixture. 例えば、混合気の燃焼室3の温度は、燃料/酸化剤混合気の自己発火閾値より低くなる可能性がある。 For example, the temperature of the combustion chamber 3 of the air-fuel mixture is likely to be lower than the autoignition threshold of the fuel / oxidant mixture. この状況は、酸化剤1が全負荷動作より低い圧力で圧縮され、そのためコンプレッサー2を出て来る時にはより低い温度となる部分負荷動作に対応する。 This situation, oxidant 1 is compressed at a pressure lower than the full-load operation, it corresponds to the partial load operation which is a lower temperature when therefore come out compressor 2. そのような状況においては、この問題を克服するために、追加の酸化剤予熱手段が用いられる。 In such a situation, in order to overcome this problem, additional oxidant preheating means is used.

図2は、圧縮された酸化剤7を更に加熱するための熱交換器14を用いた、この発明の実施形態にもとづくガスタービンの模式図を示している。 2, the heat exchanger 14 for further heating the oxidizing agent 7 which is compressed using, shows a schematic view of a gas turbine based on the embodiment of the present invention. ガスタービン4から出て来る排気ガス11の一部は、圧縮された酸化剤7を加熱するために、タービン4から出て来る排気ガス11の余熱を利用する熱交換器14に送られる。 Part of the exhaust gas 11 coming out of the gas turbine 4, to heat the oxidizing agent 7 which is compressed and sent to the heat exchanger 14 to utilize the residual heat of the exhaust gas 11 coming out of the turbine 4. この実施形態では、熱交換器14は、復熱装置の形式である。 In this embodiment, the heat exchanger 14 is in the form of a recuperator. これに代わって、熱交換器14は、再生器の形式にすることもできる。 Alternatively, the heat exchanger 14 may also be in the form of the regenerator.

タービンから出て来る排気ガス11の余熱が、圧縮された酸化剤7を所要の温度に加熱するのに十分でない場合には、外部熱源16が利用される(図3)。 Residual heat of the exhaust gas 11 coming out of the turbine, if not sufficient to heat the oxidizer 7 which is compressed to the required temperature, an external heat source 16 is used (Figure 3).

これに代わって、図4に図示したとおり、触媒形予燃焼器17によって、圧縮された酸化剤7を、燃料/酸化剤混合気の自己発火に必要な所要温度に加熱することができる。 Alternatively, as illustrated in FIG. 4, the catalyst type precombustor 17, the oxidizing agent 7 which is compressed can be heated to the required temperature required for self-ignition of the fuel / oxidant mixture. 部分負荷動作を利用する、この実施形態では、圧縮された酸化剤は、一般的に13バールの圧力と650Kの温度にある。 Utilizing partial load operation, in this embodiment, the compressed oxidant, generally in the temperature of the pressure of 13 bar and 650K.

燃焼に用いる、圧縮された酸化剤7の一部は、非常に希薄な条件で燃料と混合されて、より高い温度で燃焼室3に投入するために、触媒形予燃焼器17に送られる。 Used for combustion, a portion of the compressed oxidant 7, and mixed with fuel in very dilute conditions, in order to introduce into the combustion chamber 3 at a higher temperature, it is fed to the catalyst type pre-combustor 17. 排出レベルを最小限にしつつ、触媒表面だけでの表面反応により、流れに対して追加の熱エネルギーを付加することを保証する、非常に希薄な条件において、この触媒形予燃焼器17は動作する。 While the emission levels to a minimum, by a surface reaction by the catalyst surface, to ensure that adding additional heat energy to the flow, in very dilute conditions, the catalyst type pre-combustor 17 operates . また、触媒形予燃焼器17を非常に希薄な形で動作させることは、触媒に入って来る反応混合気が、触媒を非活性化すること、または過熱させる恐れを確実に回避するのに役立つ。 Moreover, operating the catalytic type precombustor 17 in very dilute form, the reaction gas mixture entering the catalyst, it deactivates the catalyst, or serve to reliably avoid the risk of overheating .

図4に図示したような実施形態においては、燃焼室3の外で再循環する燃焼排気13は、更に熱エネルギーを付加するとともに、希薄化するために、触媒形予燃焼器17の上流のパス18と下流のパス19を組み合わせて再循環される。 In the embodiment as illustrated in Figure 4, the combustion exhaust 13 to recirculate outside of the combustion chamber 3, further with the addition of heat energy, in order to dilute the path upstream of the catalytic type pre-combustor 17 It is recycled by combining 18 and downstream paths 19. これに代わって、燃焼室3の外で再循環する燃焼排気13は、触媒形予燃焼器17の上流18か下流19のどちらかだけに再循環される。 Alternatively, combustion exhaust 13 to recirculate outside of the combustion chamber 3 is recirculated by either the upstream 18 or downstream 19 of the catalytic type pre-combustor 17. 燃焼排気は、触媒機能を害する効果を持つ場合がある。 Flue gas may have the effect of harming the catalytic function. そのため、触媒形予燃焼器17に流れる燃焼排気13を、表面反応を制御するとともに、触媒プロセスの温度を制御するために必要な最小限度の量に制限するのが望ましい。 Therefore, the combustion exhaust 13 flowing through the catalyst type precombustor 17 controls the surface reaction, it is desirable to limit the amount of minimum necessary for controlling the temperature of the catalytic process.

圧縮された酸化剤7の全部が触媒形予燃焼器17を通過するようにする代わりに、圧縮された酸化剤7の一部が触媒形予燃焼器17を迂回するような形で、実施形態を構成することができる。 Instead of all of the compressed oxidant 7 to pass through the catalyst type precombustor 17, in a way part of the compressed oxidant 7 to bypass the catalyst type precombustor 17, the embodiment it can be constructed. このことは、触媒形予燃焼器17に関する最適な理論空燃比を保証するために、または加熱や冷却の目的に必要である。 This is to ensure optimum stoichiometric air-fuel ratio to a catalyst type precombustor 17, or is required for heating or cooling purposes. 同様に、燃料の一部を触媒形予燃焼器17に噴射し、その残りを燃焼室3に直接噴射するのが望ましい。 Similarly, a portion of the fuel injected into the catalyst type precombustor 17, it is desirable to directly inject the remainder to the combustion chamber 3.

触媒形予燃焼器17は、触媒の最適な動作モードに依存して、非常に希薄な条件(λ>2.5)または非常に濃い条件(λ<0.5)で動作するように構成することができる。 The catalyst type pre-combustor 17, depending on the optimal mode of operation of the catalyst, configured to operate in a very dilute conditions (lambda> 2.5) or very dark conditions (lambda <0.5) be able to. 動作モードの選択は、触媒形予燃焼器17に流入または迂回する、燃焼排気13、圧縮された酸化剤7および燃料の各々における個々の比率により決まる。 Selection of the operating mode flows or diverted to catalyst type pre-combustor 17, the combustion exhaust 13, determined by the individual ratios in each of the compressed oxidant 7 and fuel.

図4に示した実施形態の燃焼室3内における一般的な条件には、1650Kの温度が含まれる。 The general conditions in the combustion chamber 3 of the embodiment shown in FIG. 4, includes a temperature of 1650K. NO Xレベルは、一般的には3ppmより小さく、COレベルは、2ppmより小さい。 NO X level is generally less than 3 ppm, CO levels, 2 ppm less.

別の実施形態においては、触媒形予燃焼器17は、圧縮された酸化剤7に対する予熱操作を一層促進するために、追加の加熱手段と組み合わされる。 In another embodiment, the catalyst type pre-combustor 17, in order to further promote the preheating operation for the compressed oxidant 7, combined with additional heating means. 図5は、圧縮された酸化剤7を更に加熱するために、触媒形予燃焼器17の上流に配置された外部熱源16を利用する、この発明の実施形態を模式的に描いている。 5, in order to heat the oxidizer 7 which is compressed further, the use of an external heat source 16 disposed upstream of the catalytic type precombustor 17, the embodiment of the present invention depicts schematically.

さらに別の実施形態においては、図6に描かれているとおり、この追加の加熱手段が、復熱装置形式の熱交換器14である。 In yet another embodiment, as depicted in FIG. 6, the additional heating means is a heat exchanger 14 of the recuperator type. これに代わって、この熱交換器14を再生器の形式にすることができる。 Alternatively, it is possible to make the heat exchanger 14 into the regenerator format. どちらの場合においても、熱交換器14は、圧縮された酸化剤が触媒形予燃焼器17に入る前に、それを加熱するために、タービン4から出て来る排気ガスの余熱を利用している。 In either case, the heat exchanger 14, before the compressed oxidant enters the catalytic type precombustor 17, in order to heat it, by using the residual heat of the exhaust gas emerging from the turbine 4 there.

このため、これまでに述べたすべての実施形態は、燃焼室3の内で再循環させる燃焼排気12、または燃焼室3を出た直後に再循環させる燃焼排気13による、あるいはこれら二つを組み合わせた、燃焼排気再循環を利用している。 Therefore, all embodiments described so far, according to the combustion exhaust 13 to recirculate immediately after leaving the combustion chamber the combustion exhaust 12 is recycled in the three or combustion chamber 3, or a combination of these two was, and through the use of combustion exhaust gas recirculation. 代替の実施形態においては、図7に模式的に図示したとおり、タービン4の出口から、燃焼排気15を再循環させることができる。 In an alternative embodiment, as described schematically illustrated in Figure 7, it can be from the outlet of the turbine 4, recirculation of combustion exhaust 15.

燃焼室3の内では高い燃焼排気再循環を完全には達成できず、燃焼室3の外での燃焼排気再循環が大きすぎる圧力損失を起こす場合に、図7の実施形態を用いることができる。 Not be completely achieved a high combustion exhaust gas recirculation within the combustion chamber 3, when causing the pressure loss combustion exhaust gas recirculation outside is too large for the combustion chamber 3, it can be used to the embodiment of FIG. 7 . 燃焼排気15が、タービン4の出口から送られて、コンプレッサー2の入口に再循環され、そこで新鮮な酸化剤5と混合されている。 Combustion exhaust 15, is sent from the outlet of the turbine 4 is recycled to the inlet of the compressor 2, where it is mixed with fresh oxidant 5. この形で燃焼排気再循環を利用する実施形態は、燃焼室3の内での燃焼排気再循環12および/または燃焼室3の外での高圧の燃焼排気再循環13と組み合わせて適用することができる。 Embodiments utilizing flue gas recirculation in this form, be applied in combination with pressure combustion exhaust gas recirculation 13 outside the combustion exhaust gas recirculation 12 and / or combustion chamber 3 within the combustion chamber 3 it can. 可能なパスにおける比率での再循環の量は、燃焼室3の内での自己発火閾値を超える反応混合気を得るための、圧力低下、および熱的条件と要件などの幾つかの制約に依存する。 The amount of recirculation in the ratio in possible paths, for obtaining a reaction mixture above the self-ignition threshold within the combustion chamber 3, depends on several constraints, such as pressure drop, and thermal conditions and requirements to.

タービン4の出口から再循環する燃焼排気15は、エンジン効率の観点から好ましいので、新鮮な酸化剤の流れ5と混合する前に、冷却する必要がある。 Combustion exhaust 15 to the recirculation from the outlet of the turbine 4, so from the viewpoint of engine efficiency, prior to mixing with stream 5 fresh oxidant, it is necessary to cool. 図7に示した実施形態においては、取り出した熱は、圧縮された酸化剤7が燃焼室3に入る前に、これを熱交換器14によって加熱するために利用される。 In the embodiment illustrated in FIG. 7 takes out heat was compressed oxidant 7 before entering the combustion chamber 3, which is utilized to heat by the heat exchanger 14. そして、その燃焼排気は、補助部品20によって、残った熱エネルギーを取り出すことにより、更に冷却される。 Then, the combustion exhaust by the auxiliary part 20, by removing the remaining heat energy is further cooled. これに代わって、タービン4の出口から再循環された燃焼排気15の余熱は、異なる目的のために利用、または代替の手段により冷却することができる。 Alternatively, the remaining heat of the combustion exhaust 15 which is recycled from the outlet of the turbine 4 can be cooled by means of the use, or alternatively for different purposes.

この構成は、圧縮された酸化剤の流れ7を予熱するための解決法が異なる、または燃焼排気15の余熱の利用法が異なる、前述したすべての実施形態に適用することができる。 This configuration, solution for preheating the stream 7 of the compressed oxidant are different, or utilization of residual heat of the combustion exhaust 15 are different, can be applied to all of the above-described embodiments.

この発明の別の実施形態においては、高希薄燃焼モードで動作するように構成したガスタービンは、図8に模式的に描かれているとおり、蒸気噴射ガスタービンを構成するための蒸気発生プロセスと組み合わされる。 In another embodiment of the invention, configured gas turbine to operate at a high lean-burn mode, as schematically depicted in FIG. 8, the steam generation process for configuring the steam injection gas turbine It is combined. 蒸気を噴射することは、高レベルの燃焼排気再循環12,13の結果、既に高希薄された燃焼混合気を更に希薄化することとなる。 Injecting the steam, the result of high levels of combustion exhaust gas recirculation 12, further comprising decided to dilute the combustion mixture that has already been highly diluted. そのようなシステムは、「無火炎蒸気噴射ガスタービン(Flameless Steam Injected Gas Turbine)」(FSIGT)と呼ぶことができる。 Such a system may be referred to as a "no-flame steam injection gas turbine (Flameless Steam Injected Gas Turbine)" (FSIGT).

ガスタービン4から出て来る排気ガス11のエネルギーを利用して蒸気を作り出す蒸気発生器21で、蒸気が作り出される。 Using the energy of the exhaust gas 11 coming out of the gas turbine 4 at the steam generator 21 to produce steam, it produced steam. そして、蒸気22は、燃焼混合気を更に希薄化するとともに、N 2 Oの反応経路(kinetic pathway )に沿ったNO Xの形成を抑制するために、燃焼室3に供給される。 Then, steam 22 is adapted to further dilute the combustion mixture, in order to suppress the formation of the NO X along the N 2 O of Scheme (kinetic pathway), supplied to the combustion chamber 3.

図8に示すとおり、蒸気23は、タービン4の駆動に資するために、燃焼室3の下流にも噴射される。 As shown in FIG. 8, the steam 23, in order to contribute to driving the turbine 4, it is also injected downstream of the combustion chamber 3. これは、システムの全体出力を増加する効果がある。 This has the effect of increasing the overall output of the system. これに代わって、蒸気22全部を燃焼室3に噴射させることも可能である。 Alternatively, it is also possible to inject steam 22 all the combustion chamber 3.

図8に図示したシステムは、閉ループで動作し、ガスタービンの下流で排気ガス11とともに排出された蒸気は、凝縮器24で再生される。 System illustrated in FIG. 8 operates in a closed loop, steam discharged together with the exhaust gas 11 downstream of the gas turbine is regenerated in the condenser 24. そして、生じた水25は、蒸気生成プロセスに再投入される。 Then, the resulting water 25 is reintroduced into the steam generation process. 残った燃焼排気26は、凝縮器24を通過した後に排出される。 The remaining flue gas 26 is discharged after passing through the condenser 24. これに代わって、システムは、開放サイクルで動作することができ、水路27を通して、蒸気発生器21に、新鮮できれいな水を継続的に供給することができる。 Alternatively, the system can operate in an open-cycle, through waterways 27, to the steam generator 21, it is possible to continuously supply a fresh and clean water.

FSIGTシステムによって得られる利点は、ガスタービンの効率を増加させることである。 Benefits provided by FSIGT system is to increase the efficiency of the gas turbine. 蒸気噴射タービンでないガスタービンと比べて、FSIGTのコンプレッサー2を通る所与の酸化剤の流れに関して、エネルギー要件は変わらない。 Compared with the gas turbine not steam injection turbine, with respect to the flow of a given oxidizing agent through the compressor 2 of FSIGT, ​​energy requirement does not change. しかし、タービン4を通る質量流量は増大し、FSIGTの出力パワーを増加させる。 However, the mass flow through the turbine 4 is increased, thereby increasing the output power of FSIGT. このことにより、この発明にもとづくFSIGTシステムが、効率を最大化する一方で、極端に低いNO Xの要件を満たすことが可能となる。 Thus, FSIGT system based on this invention, while maximizing efficiency, it is possible to meet the requirements of extremely low NO X.

別の実施形態においては、酸化剤として、空気というより酸素を利用することができる。 In another embodiment, the oxidizing agent can be utilized oxygen rather than air. これにより、排出ゼロのシステムを動作させることができる。 Thus, it is possible to operate the system of zero emission. 前述した実施形態は、どれも酸化剤として酸素を使用するように構成することができる。 Foregoing embodiments, which can also be configured to use oxygen as the oxidant.

そのようなシステムの例が、図9に描かれている。 Examples of such systems is depicted in FIG. 酸素5は、コンプレッサー2で圧縮されて、燃焼室3に供給され、そこで、燃焼室3の内12と外13の手段により、高レベルの燃焼排気再循環が実現されている。 Oxygen 5 is compressed in compressor 2 is supplied to the combustion chamber 3, where, by means of 12 and the outer 13 of the combustion chamber 3, a combustion exhaust gas recirculation high level is achieved. 燃焼排気再循環は、酸素と燃料の反応混合気の爆発効果を緩和する効果を有する。 Combustion exhaust gas recirculation has the effect of mitigating the explosive effect of the reaction gas mixture of oxygen and fuel. 全プロセスにおいて、窒素がないので、NO Xを全く生成することなく、燃焼が起こる。 In the entire process, because there is no nitrogen, without generating NO X at all, combustion occurs.

酸化剤として酸素を使う実施形態においては、燃焼排気の希薄化は、火炎温度を制御する作用を持つ。 In embodiments that use oxygen as an oxidizing agent, dilution of the combustion exhaust has the effect of controlling the flame temperature. 燃焼室9で生成された排気ガス11は、タービン4を駆動し、そのエネルギーは、更に(蒸気発生器21により)蒸気を生成するために利用される。 Exhaust gas 11 generated in the combustion chamber 9 drives the turbine 4, the energy is utilized to generate a further (by the steam generator 21) steam. そして、蒸気の一部22は、プロセス温度を制御するために、燃焼室3に噴射される一方、その他の部分23は、タービン23の出力パワーを向上させるために利用される。 A portion of the steam 22 in order to control the process temperature, while being injected into the combustion chamber 3, the other part 23 is utilized to improve the output power of the turbine 23.

蒸気は、燃焼生成物と混合され、その後蒸気発生器の下流において、凝縮器24で再生される。 Steam is mixed with the combustion products, then downstream of the steam generator, are reproduced in the condenser 24. そして、主に二酸化炭素である、残りの燃焼排気25は、冷却手段26によって冷却されて、一部は燃焼プロセスを制御するのに必要な燃焼排気の希薄化に資するために、コンプレッサー2に再循環される。 Then, it is primarily carbon dioxide, the remainder of the combustion exhaust 25 is cooled by the cooling means 26, for some contribute to dilution of combustion exhaust necessary to control the combustion process, the compressor 2 again It is circulated. 過剰な二酸化炭素27は、除去して、別の用途のために保管することができる。 Excess carbon dioxide 27 is removed, it can be stored for different applications.

当業者には、前述した例示的な実施形態を引用して、更に多くの変化形態または改良形態が思い浮かぶであろうが、これらの前述した実施形態は、例示するためだけに示したものであり、この発明の範囲を制限することを意図したものではく、この発明の範囲は、付属の請求項によって決まるものである。 Those skilled in the art with reference to exemplary embodiments described above, but will occur even more changes form or improved form, these foregoing embodiments, those shown by way of example only There, foil in intended to limit the scope of the invention, the scope of the invention is determined by the appended claims.

この発明の第一の実施形態にもとづくガスタービンの模式図 Schematic diagram of a gas turbine based on the first embodiment of the present invention この発明の第二の実施形態にもとづくガスタービンの模式図 Schematic diagram of a gas turbine based on the second embodiment of the present invention この発明の第三の実施形態にもとづくガスタービンの模式図 Schematic diagram of a gas turbine based on the third embodiment of the present invention この発明の第四の実施形態にもとづくガスタービンの模式図 Schematic diagram of a gas turbine based on the fourth embodiment of the present invention この発明の第五の実施形態にもとづくガスタービンの模式図 Schematic diagram of a gas turbine based on the fifth embodiment of the present invention この発明の第六の実施形態にもとづくガスタービンの模式図 Schematic diagram of a gas turbine based on the sixth embodiment of the present invention この発明の第七の実施形態にもとづくガスタービンの模式図 Schematic diagram of a gas turbine based on the seventh embodiment of the present invention この発明の第八の実施形態にもとづく蒸気噴射ガスタービンの模式図 Schematic diagram of a steam injection gas turbine based on the eighth embodiment of the present invention この発明の第九の実施形態にもとづく蒸気噴射ガスタービンの模式図 Schematic diagram of a steam injection gas turbine based on the ninth embodiment of the present invention 再循環率100%での高希薄火炎と、再循環率0での希薄化していない火炎の両方に関する、温度に対するNO Xレベルのグラフ A high lean flame at 100% recirculation rate, both of the flame which is not diluted with recirculation rate 0 regarding a graph of the NO X level for temperature 異なる再循環率に関する、動作圧力に対する混合気の最小滞留時間のグラフ Different recirculation rate for a graph of the mixture the minimum residence time of relative operating pressure 負荷に対する再循環率のグラフ Graph of the recirculation rate to the load 一般的なガスタービンエンジンに関する、負荷に対する動作圧力と理論空燃比(λまたはラムダ)の両方のグラフ On common gas turbine engine, the graph of both the operating pressure and the stoichiometric air-fuel ratio to the load (lambda or lambda) 再循環率に対する圧力低下のグラフ Graph of pressure drop for recirculation rate

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1 ガスタービン 2 コンプレッサー 3 燃焼室 4 タービン 5 新鮮な酸化剤 6 圧縮された酸化剤 7,8 圧縮された酸化剤の一部 9 燃焼排気 10 酸化剤と燃焼排気の混合気 11 排気ガス 12 燃焼室内で再循環される燃焼排気 13 燃焼室外で再循環される燃焼排気 14 熱交換器 15 タービンの出口から再循環される燃焼排気 16 外部熱源 17 触媒形予燃焼器 18 触媒形予燃焼器の上流のパス 19 触媒形予燃焼器の下流のパス 20 補助部品 21 蒸気発生器 22,23 蒸気 24 凝縮器 25 燃焼排気 26 冷却手段 27 水路、二酸化炭素 1 gas turbine 2 compressor 3 a combustion chamber 4 turbine 5 mixture 11 exhaust gas 12 combustion chamber of fresh combustion part 9 combustion exhaust 10 oxidizing agent the oxidizing agent 6 compressed oxidant 7,8 compressed oxidant exhaust in the upstream of the combustion exhaust 13 combustion exhaust 14 heat exchanger 15 the combustion exhaust 16 external heat source 17 catalyst type precombustor 18 catalyst type precombustor being recirculated from the turbine outlet being recirculated in the combustion outdoor recirculated path 19 catalyst type pre-combustor downstream of the path 20 the auxiliary component 21 steam generator 22 steam 24 condenser 25 combustion exhaust 26 cooling means 27 waterways, carbon dioxide

Claims (42)

  1. 高希薄モードで動作するように構成したガスタービンであって、 A configuration gas turbine to operate with high lean mode,
    酸化剤を圧縮するように構成したコンプレッサーと、 A compressor configured to compress the oxidant,
    この圧縮された酸化剤を受け入れて、燃焼排気を排出する手段を備えるように構成した燃焼室と、 Accept this compressed oxidant, a combustion chamber that is configured with means for discharging the combustion exhaust,
    タービンと、 And the turbine,
    この燃焼室から出て来る燃焼排気を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤と混合して、100%から200%までの燃焼排気再循環率で、高希薄燃焼モードを実現するように構成した燃焼排気再循環手段とを有するガスタービン。 The combustion exhaust coming out of the combustion chamber is recycled, the combustion exhaust is mixed with compressed oxidant coming out of the compressor, the combustion exhaust gas recirculation rate from 100% to 200%, gas turbine having a combustion exhaust gas recirculation means arranged to achieve high lean-burn mode.
  2. 当該の燃焼排気再循環手段が、100%から150%までの燃焼排気再循環率を実現するように構成した請求項1に記載のガスタービン。 The combustion exhaust gas recirculation means, the gas turbine according to claim 1 which is configured to implement combustion exhaust gas recirculation rate from 100% to 150%.
  3. 当該の燃焼排気再循環手段が、燃焼室内で燃焼排気再循環を実現するように構成した請求項1または2に記載のガスタービン。 The combustion exhaust gas recirculation means, the gas turbine according to claim 1 or 2 configured to implement a flue gas recirculation in the combustion chamber.
  4. 当該の燃焼排気再循環手段が、燃焼室外で燃焼排気再循環を実現するように構成した請求項1から3までのいずれか一つに記載のガスタービン。 The combustion exhaust gas recirculation means, the gas turbine according to any one of claims 1 to 3 which is configured to implement combustion exhaust gas recirculation in the combustion chamber.
  5. 当該の燃焼排気再循環手段が、タービンから出て来る燃焼排気を再循環するように構成した請求項4に記載のガスタービン。 The combustion exhaust gas recirculation means, the gas turbine according to claim 4 which is configured to recirculate the combustion exhaust coming out of the turbine.
  6. 当該のガスタービンが、タービンから出て再循環される燃焼排気を冷却して、このタービンから出て再循環される燃焼排気を、酸化剤とともに、コンプレッサーに供給するように構成した請求項5に記載のガスタービン。 The gas turbine, the combustion exhaust gas that is recirculated out of the turbine is cooled, the combustion exhaust gas that is recirculated out of the turbine, with an oxidant, to claim 5 which is configured to supply to the compressor gas turbine according.
  7. 当該の燃焼排気再循環手段が、当該の燃焼室の内と外における手段を組み合わせて、燃焼排気再循環を実現するように構成した請求項1から6までのいずれか一つに記載のガスタービン。 The combustion exhaust gas recirculation means, a combination of means in the inner and outer of the combustion chamber, a gas turbine according to any one of claims 1 configured to achieve a combustion exhaust gas recirculation to 6 .
  8. 当該の燃焼排気再循環手段が、再循環する燃焼排気を、燃料と酸化剤の予混合した流れが燃焼室に入る前に、この予混合した流れと混合するように構成した請求項1から7までのいずれか一つに記載のガスタービン。 The combustion exhaust gas recirculation means, the combustion exhaust gas recirculation, before premixing the flow of fuel and oxidant enters the combustion chamber, from claim 1 configured to mix this pre-mixed stream 7 gas turbine according to any one of up to.
  9. 圧縮された酸化剤が燃焼室に入る前に、この酸化剤を加熱するように構成した酸化剤予熱手段を、更に有する請求項1から8までのいずれか一つに記載のガスタービン。 Before compressed oxidant enters the combustion chamber, the oxidizing agent preheating means configured to heat the oxidizing agent, the gas turbine according to any one of claims 1 to 8, further comprising.
  10. 当該の酸化剤予熱手段が、圧縮された酸化剤を加熱するために、タービンから出て来る排気の熱を利用するように構成した熱交換器を有する請求項9に記載のガスタービン。 The oxidant preheating means to heat the compressed oxidant gas turbine of claim 9 having the structure and heat exchanger to utilize exhaust heat coming out of the turbine.
  11. 当該の熱交換器が、復熱装置または再生器として構成された請求項10に記載のガスタービン。 The heat exchanger, a gas turbine according to claim 10 configured as a recuperator or regenerator.
  12. 請求項5に記載の場合において、タービンから出て再循環される燃焼排気が、当該の熱交換器を用いて冷却される請求項10または11に記載のガスタービン。 In the case of claim 5, the combustion exhaust gas that is recirculated out of the turbine, the gas turbine according to claim 10 or 11 is cooled using a heat exchanger in question.
  13. 当該の酸化剤予熱手段が、外部熱源を有する請求項10から13までのいずれか一つに記載のガスタービン。 The oxidant preheating means, a gas turbine according to any one of claims 10 having an external heat source to 13.
  14. 当該の外部熱源が、触媒形予燃焼器で構成された請求項13に記載のガスタービン。 The external heat source, a gas turbine according to claim 13, which is constituted by the catalyst type precombustor.
  15. 当該の酸化剤が、酸素である請求項1から14までのいずれか一つに記載のガスタービン。 The oxidizing agent is a gas turbine according to any one of claims 1 is oxygen up to 14.
  16. 請求項1から15までのいずれか一つに記載のガスタービンと、 A gas turbine according to any one of claims 1 to 15,
    酸化剤と燃料の混合気を更に希薄化させるために、タービンから出て来る燃焼排気のエネルギーを利用して蒸気を作り、この蒸気を燃焼室に供給するように構成した蒸気発生器とを有する無火炎蒸気噴射ガスタービン。 In order to further dilute the mixture of oxidant and fuel, by utilizing the energy of combustion exhaust exiting the turbine creates a steam has a configuration steam generator to supply the steam into the combustion chamber No flame steam injection gas turbine.
  17. 当該の無火炎蒸気噴射ガスタービンが、閉ループシステムとして動作し、更に、蒸気を凝縮するとともに、生じた水を蒸気発生器に再投入するように構成した凝縮器を有する請求項16に記載の無火炎蒸気噴射ガスタービン。 No flame steam injection gas turbine in question operates as a closed loop system, further, with condensing steam, according resulting water in claim 16 having a condenser configured to reenter the steam generator No flame steam injection gas turbine.
  18. 当該の無火炎蒸気噴射ガスタービンが、開ループシステムとして動作し、蒸気発生器に水を継続的に補給する請求項16に記載の無火炎蒸気噴射ガスタービン。 No flame steam injection gas turbine in question operates as an open loop system, free flame steam injection gas turbine according to claim 16 to continuously replenish the water in the steam generator.
  19. 当該の蒸気発生器で生成された蒸気の一部が、タービンの出力パワーを増加させるために、タービンに供給される請求項16から18までのいずれか一つに記載の無火炎蒸気噴射ガスタービン。 Some of the steam generated in the steam generator in question, in order to increase the output power of the turbine, no flame steam injection gas turbine according to any one of claims 16 to 18 supplied to the turbine .
  20. 酸化剤を圧縮するコンプレッサーを使用することと、 And using a compressor for compressing the oxidant,
    この圧縮された酸化剤を受け入れて、燃焼排気を排出する手段を備えた燃焼室を使用することと、 And using accept this compressed oxidant, the combustion chamber having a means for discharging the combustion exhaust,
    タービンを使用することと、 And the use of turbine,
    この燃焼室から出て来る燃焼排気を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤と混合して、100%から200%までの燃焼排気再循環率で、高希薄燃焼モードを実現する燃焼排気再循環手段を使用することとを有するガスタービンの動作方法。 The combustion exhaust coming out of the combustion chamber is recycled, the combustion exhaust is mixed with compressed oxidant coming out of the compressor, the combustion exhaust gas recirculation rate from 100% to 200%, method of operating a gas turbine having and using the combustion exhaust gas recirculation means to achieve high lean-burn mode.
  21. 更に、100%から150%までの燃焼排気再循環率を実現する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項20に記載の方法。 Furthermore, the method according to claim 20 having the use of flue gas recirculation means for implementing the combustion exhaust gas recirculation rate from 100% to 150%.
  22. 燃焼室内で燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項20または21に記載の方法。 The method of claim 20 or 21 having the use of flue gas recirculation means for implementing the combustion exhaust gas recirculation in the combustion chamber.
  23. 燃焼室外で燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項20から22までのいずれか一つに記載の方法。 The method according to any one of claims 20 to 22 having the use of flue gas recirculation means for implementing the combustion exhaust gas recirculation in the combustion chamber.
  24. 更に、タービンから出て来る燃焼排気を再循環する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項23に記載の方法。 Furthermore, the method according to claim 23 having the use of flue gas recirculation means for recirculating the combustion exhaust coming out of the turbine.
  25. 更に、タービンから出て再循環される燃焼排気を、酸化剤とともにコンプレッサーに供給する前に、このタービンから出て来る燃焼排気を冷却することを有する請求項24に記載の方法。 Furthermore, the method according to claim 24 having a combustion exhaust gas that is recirculated out of the turbine, before being supplied to the compressor together with an oxidizing agent, cooling the combustion exhaust coming out of the turbine.
  26. 当該の燃焼室の内と外における手段を組み合わせて、燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項20から25までのいずれか一つに記載の方法。 A combination of means in the inner and outer of the combustion chamber, the method according to any one of claims 20 to 25 having the use of flue gas recirculation means for implementing the combustion exhaust gas recirculation.
  27. 再循環する燃焼排気を、燃料と酸化剤の予混合した流れが燃焼室に入る前に、この予混合した流れと混合する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項20から26までのいずれか一つに記載の方法。 The combustion exhaust gas recirculation, fuel and oxidizer before premixed stream enters the combustion chamber, from claim 20 having the use of flue gas recirculation means for mixing this premix was flowed to 26 the method according to any one.
  28. 圧縮された酸化剤が燃焼室に入る前に、この酸化剤を加熱する酸化剤予熱手段を使用することを有する請求項20から27までのいずれか一つに記載の方法。 Before compressed oxidant enters the combustion chamber, the method according to any one of claims 20 to 27 having the use of oxidizing agent preheating means for heating the oxidizing agent.
  29. 更に、当該の酸化剤予熱手段を実現する熱交換器を使用することと、タービンから出て来る排気の熱を利用して、圧縮された酸化剤を加熱するために、この熱交換器を使用することとを有する請求項28に記載の方法。 Furthermore, the use and the use of heat exchangers to achieve the oxidant preheating means, by utilizing the exhaust heat coming out of the turbine, for heating the compressed oxidizing agent, the heat exchanger the method of claim 28 and a to.
  30. 更に、当該の熱交換器を、復熱装置または再生器の形式で実現することを有する請求項29に記載の方法。 Furthermore, the method according to claim 29 having the heat exchanger of the, realized in the form of a recuperator or regenerators.
  31. 請求項24に記載の場合において、タービンから出て再循環される燃焼排気を冷却する熱交換器を使用することを有する請求項29または30に記載の方法。 In the case of claim 24, method according to claim 29 or 30 having to use a heat exchanger to cool the combustion exhaust gas that is recirculated out of the turbine.
  32. 当該の酸化剤予熱手段を実現するために、外部熱源を使用することを有する請求項29から31までのいずれか一つに記載の方法。 To achieve the oxidant preheating means, a method according to any one of claims 29 to 31 having to use an external heat source.
  33. 更に、当該の外部熱源を実現するために、触媒形予燃焼器を使用することを有する請求項32に記載の方法。 Furthermore, in order to achieve the external heat source, method of claim 32 comprising the use of a catalyst type pre-combustor.
  34. 当該の酸化剤として、酸素を使用することを有する請求項20から33までのいずれか一つに記載の方法。 As the oxidizing agent, the method according to any one of claims 20 to 33 having the use of oxygen.
  35. 請求項1から15までのいずれか一つに記載のガスタービンを使用することと、 And using a gas turbine according to any one of claims 1 to 15,
    酸化剤と燃料の混合気を更に希薄化させるために、タービンから出て来る燃焼排気のエネルギーを利用して蒸気を作り、この蒸気を燃焼室に供給する蒸気発生器を使用することとを有する無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。 In order to further dilute the mixture of oxidant and fuel, by utilizing the energy of combustion exhaust exiting the turbine creates a steam having and using the steam generator supplies the steam into the combustion chamber method of operating a non-flame steam injection gas turbine.
  36. 当該の無火炎蒸気噴射ガスタービンを閉ループシステムとして動作させることと、蒸気を凝縮するとともに、生じた水を蒸気発生器に再投入する凝縮器を使用することとを有する請求項35に記載の無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。 And operating the non-flame steam injection gas turbine of the as a closed loop system, while condensing vapors, according resulting water in claim 35 having and using the condenser to be re-charged into the steam generator No method of operating a flame steam injection gas turbine.
  37. 当該の無火炎蒸気噴射ガスタービンを開ループシステムとして動作させることと、蒸気発生器に水を継続的に補給することとを有する請求項36に記載の無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。 And operating the non-flame steam injection gas turbine of the as an open loop system, a method of operating a non-flame steam injection gas turbine according to claim 36 and a to continually replenish the water in the steam generator.
  38. 更に、当該の蒸気発生器で生成された蒸気の一部を、タービンの出力パワーを増加させるために、タービンに供給することを有する請求項33から35までのいずれか一つに記載の無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。 Furthermore, no flame according to part of the steam generated by the steam generator, in order to increase the output power of the turbine, to any one of claims 33 having to be supplied to the turbine to 35 method of operating a steam injection gas turbine.
  39. 実質上、明細書に図面を参照して記載されたとおりのガスタービン。 In effect, as the gas turbine described with reference to the drawings herein.
  40. 実質上、明細書に図面を参照して記載されたとおりの無火炎蒸気噴射ガスタービン。 Substantially, no flame steam injection gas turbine as described with reference to the drawings herein.
  41. 実質上、明細書に図面を参照して記載されたとおりのガスタービンの動作方法。 Substantially refers to a method of operating a gas turbine as described in the drawings herein.
  42. 実質上、明細書に図面を参照して記載されたとおりの無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。 Substantially, a method of operating a non-flame steam injection gas turbine as described with reference to the drawings herein.
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